(57)【要約】【課題】  放熱フィン取り付け時の亀裂の発生を抑制することができる半導体装置を提供することである。【解決手段】  本発明の半導体装置１０は、切り欠き部２４を有し、切り欠き部２４にねじの軸部が収容された状態でねじの頭部とねじと螺合するめねじ部を有する部材との間に挟持されるように部材に固定される、リードフレームに載置された半導体素子を樹脂パッケージで封止してなる半導体装置であって、切り欠き部２４が形成された外縁２２と切り欠き部２４とに挟まれた角部に設けられた、部材にねじによって固定されたときにねじの頭部との接触を回避する非接触部３０と、部材にねじによって固定されたときにねじの頭部と部材の間に存在するようにパッケージ１２に内含されている補強部材とを有する。【選択図】図１
2006237305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外縁に切り欠き部を有し、上記切り欠き部にねじの軸部が収容された状態で上記ねじの頭部と上記ねじと螺合するめねじ部を有する部材との間に挟持されるように上記部材に固定される、リードフレームに載置された半導体素子を樹脂パッケージで封止してなる半導体装置であって、
上記切り欠き部が形成された外縁と上記切り欠き部に挟まれた角部に設けられた、上記部材に上記ねじによって固定されたときに上記ねじの頭部との接触を回避する非接触部と、
上記部材に上記ねじによって固定されたときに上記ねじの頭部と上記部材の間に存在するように上記パッケージに内含されている補強部材とを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
ねじの頭部との間に配置されたワッシャと上記部材とに挟持されるように上記部材に固定されるものであって、
上記非接触部が上記ワッシャとの接触を回避するものであって、
上記補強部材が上記ワッシャと部材との間にあるようにパッケージに内含されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
上記補強部材がリードフレームのインナーリードの一部からなることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項４】
上記部材が放熱フィンであることを特徴とする１〜３のいずれか一に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関するものであり、特に、放熱フィンが取り付けられる半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発熱量が高い、例えば電力用半導体素子を樹脂でパッケージ封止した半導体装置には、発生した熱をパッケージ外部に逃がすための放熱フィンが取り付けられる。図８に概略的に示すように、半導体装置５１０は、熱をパッケージ５１２の外部に逃がすために半導体素子と熱的に接続されパッケージ５１２から露出した放熱板５１４を有し、その放熱板５１４に放熱フィン５１６が当接されて固定される。半導体装置５１０に対する放熱フィン５１６の固定は、ねじ５１８によって行われる。半導体装置５１０は、外縁にＵ字形状の切り欠き部５２０を有し、切り欠き部５２０にねじ５１８の軸部５２２が収容された状態でねじ５１８の頭部５２４とねじ５１８と螺合するめねじ５２６が形成された放熱フィン５１６とに挟持されるように、放熱フィン５１６に対して固定される。図に示すように、ねじ５１８の頭部５２４と半導体装置５１０との間にはワッシャ５２８が配置される。Ｕ字形状の切り欠き部を有する半導体装置として、例えば特許文献１のものがある。
【特許文献１】特開２００２−２０８６４９公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述の半導体装置に放熱フィンを固定するためにねじを締めていくと、樹脂パッケージに亀裂が生じ、場合によっては、パッケージに欠けが生じることがある。例えば、図９（ａ）に示すように、ねじ５１８が時計周り方向５３０に回転されることにより締められると、半導体装置５１０のパッケージ５１２がねじ５１８の頭部５２４と放熱フィン５１６とに挟まれて圧縮力を受ける。それとともに、ワッシャ５２８が、ねじ５１８の頭部５２４によってパッケージ５１２に押圧されつつ、ねじ５１８の回転に応じて回転する。このとき、図９（ｂ）に示すように、ワッシャ５２８と接触するパッケージ５１２の面５３２の部分（図において、ハッチング部分）５３４はせん断力を受ける。これにより、圧縮力を受けつつ外方向のせん断力５３６を受ける、切り欠き部５２０と側面５３８に挟まれた角部５４０に亀裂５４２が生じる。生じた亀裂５４２が発達すると、亀裂５４２から欠けることがあり、当然ながら、亀裂や欠けが生じると、半導体装置の信頼性が低下する。
【０００４】
そこで、本発明は、放熱フィンを取り付ける際のねじ締めによる亀裂の発生を抑えることができる構成を有する半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するための本発明に係る半導体装置は、切り欠き部を有し、上記切り欠き部にねじの軸部が収容された状態で上記ねじの頭部と上記ねじと螺合するめねじ部を有する部材との間に挟持されるように上記部材に固定される、リードフレームに載置された半導体素子を樹脂パッケージで封止してなる半導体装置であって、
上記切り欠き部が形成された外縁と上記切り欠き部に挟まれた角部に設けられた、上記部材に上記ねじによって固定されたときに上記ねじの頭部との接触を回避する非接触部と、
上記部材に上記ねじによって固定されたときに、上記ねじの頭部と上記部材の間に存在するように上記パッケージに内含されている補強部材とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、非接触部と補強部材を有することにより、該非接触部と該補強部材がない場合に比べてねじ締め付け時の亀裂の発生が抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、放熱フィンが取り付けられる本発明の一実施形態に係る半導体装置の概略図である。半導体装置１０は、概略長方形の板状の樹脂パッケージ１２を有し、半導体装置１０以外の構成要素と電気的な接続を行うための複数のアウターリード（図面簡略化のため、一部のみが示されている。）１４が対向し合う２つの側面１６から突出した、例えばＤＩＰ（Ｄｕａｌ  Ｉｎ−ｌｉｎｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）型の半導体装置である。図示されてはいないが、樹脂パッケージ１２内部には、アウターリード１４と一体のリードフレーム（インナーリード）と、リードフレームと電気的に接続された半導体素子とが封止されている。
【０００８】
また、半導体装置１０は、放熱フィン（図示せず）と接触するための放熱フィン当接面１８に露出している、樹脂パッケージ１２内部に封止された半導体素子と熱的に接続された放熱板２０を有する。
【０００９】
さらに、半導体装置１０は、対向し合う２つの側面２２に、側面２２から半導体装置１０の中央部に向かって形成された切り欠き部２４を有する。切り欠き部２４は、放熱フィン当接面１８と垂直な方向から見た場合、Ｕ字状の形状を有する。また、放熱フィン当接面１８と対向する面（後述するようにワッシャと当接する面であるため、以下、「ワッシャ当接面」と称する。）２８、切り欠き部２４の切り欠き面２６、および側面２２の３つの面によって形成される頂点を切り落として形成される切断面のような、３つの面と辺をなす三角形の逃げ面（逃げ部）３０を有する。以下、本発明の特徴である切り欠き部２４周辺の半導体装置１０の構成について説明する。
【００１０】
切り欠き部２４は、放熱フィン当接面１８（放熱板２０）に放熱フィンを当接した状態で該放熱フィンを半導体装置１０に固定する際に機能するものである。具体的には、放熱フィンは、半導体装置１０にねじによって固定される。
【００１１】
図２（ａ）は、放熱フィンが半導体装置にねじによって固定されているときの切り欠き部周辺を示す図（面２８と垂直な方向から見た図）であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）においてＡ方向から見た断面図である。また、図３は、切り欠き部周辺の構成の詳細を示すための図である。
【００１２】
図２（ａ）、２（ｂ）に示すように、半導体装置１０と放熱フィン４０との間の固定は、半導体装置１０のパッケージ１２がねじ４２の頭部４４とねじ４２と螺合する放熱フィン４０とにワッシャ４６を介して挟持されるように行われる。切り欠き部２４は、図３に示すように、ねじ４２の軸部４８が収容できる幅ｗと深さｄ（側面２２からの距離）を有する。言い換えると、切り欠き部２４は、使用されるねじによって形状（寸法）が決定される。
【００１３】
なお、切り欠き部の深さｄは、最小限、ねじの軸部が収容される大きさに設計されている。そのため、ワッシャ当接面と垂直な方向から見た場合、ねじの頭部やワッシャは切り欠き部が形成されている側面から突出する。これは、ねじの頭部やワッシャが完全にワッシャ当接面上に配置されるように切り欠き部を形成すると、半導体装置本体が不要に大きくなる（小型化できない）不都合が生じるためである。また、ねじの頭部やワッシャが完全にワッシャ当接面上に配置されるようにするならば、切り欠き部ではなく、貫通孔が形成される。
【００１４】
逃げ部３０は、切り欠き部２４と側面２２に挟まれた角部５０においてワッシャ４６との接触を回避する非接触部として機能する。非接触部は、図３に示すようにワッシャ当接面２８と垂直な方向から見た場合、切り欠き面２６と側面２２との頂点５４を頂点とする２辺の長さがｃである直角二等辺三角形の領域である。角部５０において、逃げ部３０が設けられることにより、逃げ部３０がない場合に比べてワッシャ４６との接触面積が減少し、ねじ締め付け時にワッシャ４６から受けるせん断力も小さくなる。角部５０に作用するせん断力が小さくなることにより、逃げ部３０がない場合に比べて亀裂の発生が抑制される。
【００１５】
また、角部５０における亀裂の発生は、ねじ締め付け時にワッシャ４６から受けるせん断力だけでなく、ねじ４２の頭部４４と放熱フィン４０に挟まれることにより受ける圧縮力にも起因する。この圧縮力による亀裂の発生を抑制するために、インナーリードの一部からなる補強部材５２が、放熱フィン取り付け時においてワッシャ４６と放熱フィン４０の間に存在するようにパッケージ１２内に配置されている。これにより、ワッシャ４６と放熱フィン４０との間にあるパッケージ１２の部分の剛性が増加してねじ締め付け時に受ける圧縮力に抵抗し、その結果、補強部材５２がない場合に比べて亀裂の発生が抑制される。
【００１６】
本実施形態による亀裂発生の抑制の効果を、発明者は実験により実証している。発明者は、まず、切り欠き部の深さｄ（図３参照。言い換えると、切り欠き部が設けられた側面２２からねじまでの距離Ｌ）の寸法が異なる半導体装置を用い、補強部材が放熱フィンとワッシャの間に存在することによる効果を確かめた。また、逃げ部の大きさ（非接触部の大きさ）が異なる半導体装置を用い、逃げ部の大きさによる影響を調べた。使用したねじはＭ３ねじ（軸径が３ｍｍ、頭部径５．５ｍｍ）、ワッシャはＭ３ねじ用で、内径が３．３ｍｍ、外径が８ｍｍのものを使用した。切り欠き部の幅ｗは、Ｍ３ねじに対応して３．２ｍｍである。
【００１７】
補強部材の存在による効果、逃げ部の大きさによる影響は、ねじ締めトルク（Ｎ・ｍ）を測定し、半導体装置のパッケージに亀裂が発生するときのトルク（亀裂が発生せずにパッケージが耐えうる限界のトルク）で評価した。この限界のトルクが高いほど、亀裂が発生し難いことを示し、言い換えると、亀裂の発生が抑制されている。
【００１８】
図４には、切り欠き部が異なる５種類の半導体装置１〜５について補強部材による効果を示す実験結果の表が示されている。図示されている表において、「１．８以上」は、１．８Ｎ・ｍのトルクでねじを締めても亀裂が発生しなかったことを示す。図４に示す実験結果より、補強部材の有無に関わらず、切り欠き部の深さｄ大きくなるほど（ねじの位置が側面から離れるほど）、限界トルクは大きくなることがわかる（言い換えると、亀裂の発生が抑制されることがわかる。）。また、全ての半導体装置において、補強部材がある方が、ない方に比べて限界トルクが大きい。これにより、補強部材が亀裂の発生を抑制していることが分かる。
【００１９】
図５には、逃げ部（非接触部）の大きさが異なる６種類の半導体装置１〜６（半導体装置１には逃げ部が形成されていない）についての限界トルクを示す表が示されている。図において、「１．８以上」は、１．８Ｎ・ｍのトルクでねじを締めても亀裂が発生しなかったことを示す。図５に示す実験結果より、逃げ部が存在する方が（非接触部が存在する方が）、存在しない場合に比べて（半導体装置１に比べて）限界トルクが概ね大きい。また、非接触部が大きくなるほど（言い換えると、角部においてワッシャとの接触面積が小さくなるほど）、限界トルクが大きくなる（亀裂の発生が抑制されている。）。これにより、逃げ部（非接触部）が亀裂の発生を抑制していることが分かる。
【００２０】
以上、一実施形態を挙げて本発明に係る半導体装置を説明したが、この実施形態に限定するわけでなく、他の実施形態でも可能である。ねじ締め付け時においてワッシャと接触する角部に非接触部を形成する逃げ部は、上述のように、ワッシャ当接面と切り欠き面と切り欠き部が形成された側面から形成された頂点を切り落として形成される切断面のような、３つの面と辺をなす三角形の面でなくてもよい。
【００２１】
例えば、図６（ａ）に示すように、切り欠き部１２４の切り欠き面１２６とワッシャ当接面１２８との間で形成される辺を切り落として形成されたような、切り欠き面１２６とワッシャ当接面１２８との間に配置された面１３０であってもよい。また、図６（ｂ）に示すように、切り欠き部２２４が形成された側面２２２とワッシャ当接面２２８との間で形成される辺を切り落として形成されたような、側面２２４とワッシャ当接面２２８との間に配置された面２３０であってもよい。このように、切り欠き部が形成された側面と切り欠き部に挟まれた角部においてワッシャとの接触面積が減少するための非接触部を形成する逃げ部は種々有り、本明細書に記載した形態以外の逃げ部でも亀裂の発生が抑制されるのは明らかである。本明細書に記載した形態以外の逃げ部を有する半導体装置も、本発明に含まれる。
【００２２】
また、補強部材は、上述するようにインナーリードの一部から形成するのではなく、インナーリードとは別の部材で形成してもよい。また、上述の形状とは異なる別の形状で形成してもよい。図７（ａ）、７（ｂ）（図７（ａ）においてＢ方向から見た断面図）に示すように、例えば、パッケージ３１２内の補強部材３５２は、切り欠き部３２４の切り欠き面３２６に沿って配置される、ワッシャ当接面３２８と垂直な方向から見た場合にＵ字形状に湾曲した板部材であってもよい。または、インナーリードの一部を、図７に示すように、切り欠き部３２４の切り欠き面３２６に沿ってＵ字形状に湾曲して補強部材を構成してもよい。このように、放熱フィン取り付け時にワッシャと放熱フィンの間に存在するようにパッケージ内に配置される補強部材は種々有り、本明細書に記載した形態以外の補強部材でも亀裂の発生が抑制されるのは明らかである。本明細書に記載した形態以外の補強部材を有する半導体装置も、本発明に含まれる。
【００２３】
確認のために、本発明に係る半導体装置はワッシャと放熱フィンとに挟持されるように放熱フィンに固定されるものであるが、ワッシャがなくてもねじの頭部と放熱フィンに挟持されることが可能な形態であるのは明らかである。この場合、逃げ部は、切り欠き部が形成された側面と切り欠き部とに挟まれた角部においてねじの頭部との接触面積を減らすための非接触部を形成し、補強部材は、放熱フィン取り付け時にねじの頭部と放熱フィンの間に存在するようにパッケージ内に配置される。
【００２４】
最後に、本発明に係る半導体装置は、放熱フィンに取り付けることに限定しておらず、放熱フィン以外の部材にも取り付け可能であることは明らかである。また、切り欠き部は、ワッシャ当接面と垂直な方向から見た場合Ｕ字形状以外の形状でもよく、例えばコ字形状であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る半導体装置の概略的な外観図である。
【図２】放熱フィン取り付け時の半導体装置の切り欠き部を示した図である。
【図３】半導体装置の切り欠き部の詳細を示すための図である。
【図４】補強部材の効果を実証する実験結果の表を示す図である。
【図５】逃げ部の効果を実証する実験結果の表を示す図である。
【図６】他の実施形態に係る半導体装置の切り欠き部を示す図である。
【図７】他の実施形態に係る半導体装置の補強部材を示す図である。
【図８】従来の半導体装置と放熱フィンの取り付け方法を示す図である。
【図９】従来の半導体装置のパッケージにおいて亀裂の発生を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  半導体装置、  １２  パッケージ、  １４  アウターリード、  １６  側面、  １８  放熱フィン当接面、  ２０  放熱板、  ２２  側面、  ２４  切り欠き部、  ２６  切り欠き面、  ２８  ワッシャ当接面、  ３０  逃げ面、  ４０  放熱フィン、  ４２  ねじ、  ４４  頭部、  ４６  ワッシャ、  ４８  軸部、  ５０  角部、  ５２  補強部材、  ５４  頂点、
１２２  側面、  １２４  切り欠き部、  １２６  切り欠き面、  １２８  ワッシャ当接面、  １３０  面、
２２２  側面、  ２２４  切り欠き部、  ２２６  切り欠き面、  ２２８  ワッシャ当接面、  ２３０  面、
３１２  パッケージ、  ３２４  切り欠き部、  ３２６  切り欠き面、  ３２８  ワッシャ当接面、  ３５２  補強部材、
５１０  半導体装置、  ５１２  パッケージ、  ５１４  放熱板、  ５１６  放熱フィン、  ５１８  ねじ、  ５２０  切り欠き部、  ５２２  軸部、  ５２４  頭部、  ５２６  めねじ、  ５２８  ワッシャ、  ５３０  回転方向、  ５３２  面、  ５３４  接触部分、  ５３６  せん断力、  ５３８  側面、  ５４０  角部、  ５４２  亀裂
【図１】
2006237305.tif 000003
【図２】
2006237305.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006237305.tif 000006
【図５】
2006237305.tif 000007
【図６】
2006237305.tif 000008
【図７】
2006237305.tif 000009
【図８】
2006237305.tif 000010
【図９】
2006237305.tif 000011